空氣分離裝置PBU系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)

杜凌云(上海建安化工設(shè)計(jì)有限公司，上海 200437)

0 引言

隨著近年來我國(guó)高純氣體方面的需求量越來越大，全國(guó)陸續(xù)新建很多空氣分離裝置。作為高純儲(chǔ)罐的重要配套系統(tǒng),PBU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要克服很多難點(diǎn)。

1 空氣分離工藝簡(jiǎn)介

空氣分離，即空分，是采用物理或化學(xué)手段，對(duì)空氣進(jìn)行分離，獲得高純度氮?dú)?、氧氣以及其他稀有氣體的過程?？諝夥蛛x主要有深冷空分法、膜分離法和分子篩吸附法三條工藝路線。文章涉及的國(guó)外大型空分企業(yè)，采用的是深冷空分法，其核心在于利用空氣中各組分的沸點(diǎn)不同。首先用壓縮機(jī)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮、膨脹和降溫，得到液化空氣。再把液化空氣通入精餾塔，使其與氣體空氣接觸，由于氣、液空氣之間存在溫差，兩者會(huì)發(fā)生熱交換。低溫的液化空氣中氮組分由于沸點(diǎn)低率先蒸發(fā)進(jìn)入氣相，氣態(tài)空氣中的氧組分由于沸點(diǎn)高也率先冷凝進(jìn)入液相。造成氣相中的氮含量越來越高，液相中的氧含量越來越高。經(jīng)過如此多次循環(huán)，達(dá)成分離空氣中的氮和氧的目的。同理，氬氣等其他稀有氣體，也是利用沸點(diǎn)不同，從初級(jí)液態(tài)氧氣中進(jìn)一步分離而來。深冷空分法是目前應(yīng)用程度最廣的空氣分離法，其特點(diǎn)是產(chǎn)品純度高、產(chǎn)量大、可附帶提取氦、氖、氬、氪等其他稀有氣體。

2 PBU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 PBU簡(jiǎn)介

PBU，即Pressure Build-Up，是液化氣體儲(chǔ)罐配套的一種空浴式換熱器。其功能是以空氣為熱源，對(duì)氣體進(jìn)行加熱。

2.2 PBU系統(tǒng)的工藝流程

如圖1所示，當(dāng)需要把儲(chǔ)存于儲(chǔ)罐內(nèi)的液化氣體輸送至下游氣化器進(jìn)行氣化時(shí)，打開儲(chǔ)罐與PBU之間的連通閥，少量液化氣體自流入PBU，在PBU內(nèi)與空氣進(jìn)行熱交換，迅速氣化為氣態(tài)，體積迅速增大，達(dá)到壓力聯(lián)鎖的調(diào)節(jié)閥的預(yù)設(shè)值后，輸送回儲(chǔ)槽，提高整個(gè)液化氣體儲(chǔ)槽的壓力，為后續(xù)大量液化氣體輸送入下游汽化器提供了推動(dòng)力。整個(gè)PBU增壓過程，除了操作人員需要對(duì)聯(lián)通閥進(jìn)行操作外，沒有其他操作，運(yùn)行成本低；而增壓推動(dòng)力為儲(chǔ)罐自身介質(zhì)，沒有額外能源介入，節(jié)能的同時(shí)，避免了外界因素污染高純氣體環(huán)境。

圖1 PBU相關(guān)工藝流程圖

2.3 PBU系統(tǒng)管道材料設(shè)計(jì)

2.3.1 基礎(chǔ)管材的設(shè)計(jì)

PBU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度為-196 ℃到65 ℃，設(shè)計(jì)壓力為0 MPa到2.76 MPa；PBU系統(tǒng)的操作溫度為-140 ℃到-150 ℃，操作壓力為1 MPa到1.5 MPa。PBU系統(tǒng)的介質(zhì)為液態(tài)或氣態(tài)的氮?dú)狻鍤夂脱鯕?。考慮到最低-196 ℃的設(shè)計(jì)溫度和高純氣體的潔凈需求，PBU系統(tǒng)的管道與管件使用06Cr19Ni10，即304不銹鋼。

2.3.2 管道壁厚的計(jì)算

根據(jù) GB/T 20801.3—2006，管道壁厚的理論公式為：

計(jì)算壁厚tc=PD/2*(SΦW+PY)

式中：P為設(shè)計(jì)壓力(MPa)；D為管外徑(mm)；S為設(shè)計(jì)溫度下管道組成件金屬材料的許用用力(MPa)；Φ為縱向焊接接頭系數(shù)；Y為計(jì)算系數(shù)。

以PBU系統(tǒng)DN50的主管為例，設(shè)計(jì)溫度為65 ℃，設(shè)計(jì)壓力為27.60 bar。

根據(jù)HG/T 20553，D取60.3；根據(jù)根據(jù)GB/T 20801.2，S取138；根據(jù)GB/T 20801.3，Φ取1，Y取0.4；計(jì)算得到tc=0.598 mm。

設(shè)計(jì)壁厚td=tc+腐蝕余量+機(jī)械負(fù)偏差+機(jī)械加工深度。

管系采用304不銹鋼無縫鋼管，腐蝕余量為0 mm；不加工內(nèi)外螺紋，所以加工深度偏差取0 mm；根據(jù)GB/T 14976《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》，機(jī)械負(fù)偏差取12.5%，即0.074 mm。

得到最終設(shè)計(jì)壁厚td=0.672 mm。根據(jù)HG/T 20553的Ia系列壁厚表，進(jìn)行圓整，取1.6 mm，Sch.5S規(guī)格。

2.4 安全閥管道的設(shè)計(jì)

整個(gè)PBU管系設(shè)置了兩套安全閥組，即一套向大氣放空的的安全閥組，以及一套是向地面排液的thermal relief valve閥組。

2.4.1 放空安全閥組的設(shè)計(jì)

設(shè)置放空安全閥組，是為了保證PBU出口管道的內(nèi)壓不超出設(shè)計(jì)壓力，杜絕安全隱患。為了保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，避免為檢修安全閥而停車，放空安全閥組采用的三通閥接兩個(gè)安全閥的雙聯(lián)安全閥模式。保證一側(cè)安全閥進(jìn)行檢修時(shí)，另一側(cè)依然可以工作，兩路可自由切換[1]。由于PUB出口管線內(nèi)是氮?dú)?、氬氣和氧氣，屬于非可燃?xì)怏w，根據(jù)GB50160《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，在滿足放空管口高出相鄰操作平臺(tái)2.2 m以上的要求后，允許向大氣直接排放。安全閥組的進(jìn)口管道應(yīng)盡可能短，保證最大壓力降不超過安全閥額定壓力的3%。

安全閥出口管道的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)設(shè)置φ10 mm淚孔以防止積雨；(2)為防止額外背壓，管道排放管端應(yīng)切成平口，使介質(zhì)直接向上高速排出，且不得設(shè)置防雨帽；(3)根據(jù)泄壓排放引起的反作用力，合理設(shè)置支架。

2.4.2 thermal relief valve閥組的設(shè)計(jì)

thermal relief valve，是國(guó)外低溫裝置中使用的一種泄放裝置，尚無公認(rèn)的中文譯名。其作用是解決當(dāng)PBU管系兩端聯(lián)通閥被誤操作關(guān)閉，形成封閉管段時(shí)，殘留液化氣受熱膨脹后的超壓?jiǎn)栴}。其特點(diǎn)是泄放量小，液體泄壓速度快。閥門入口一般為NPT 1/2～3/4″，出口為NPT 1″。thermal relief valve結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 thermal relief valve結(jié)構(gòu)圖

Thermal relief valve閥組的進(jìn)口管道要盡可能短。出口管道要朝向地面，并用U型螺栓固定在管道支架上，防止泄放時(shí)候劇烈振動(dòng)。

2.5 管系的柔性和保冷設(shè)計(jì)

PBU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度下限為-196 ℃，意味著整個(gè)管系屬于典型的深冷管道，在管道應(yīng)力、管道保冷層的設(shè)計(jì)和管托的選型上需要針對(duì)性進(jìn)行考慮。

2.5.1 管系的柔性和應(yīng)力分析

深冷管道的布置要求整個(gè)管系有足夠的柔性，以吸收系統(tǒng)運(yùn)行后管道冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力。相比增設(shè)補(bǔ)償器方案，自然補(bǔ)償簡(jiǎn)單且可靠性強(qiáng)；由于管道直徑不大，為了增加管系柔性而使用的管道在成本上也比各類補(bǔ)償器要便宜很多。所以在空間允許的情況下，自然補(bǔ)償是普通深冷管系的首選[2]。文章使用CAESAR II軟件，在ASME B31.3規(guī)則下，對(duì)管系的柔性和管口的荷載進(jìn)行了模擬計(jì)算。以氬氣儲(chǔ)罐的PBU管系為例，進(jìn)行建模。氬氣PBU管系的應(yīng)力模型圖如圖3所示。

圖3 氬氣PBU管系的應(yīng)力模型圖

如圖4所示，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果, Allowable Stress項(xiàng)大于各點(diǎn)Code Stress項(xiàng)，表示整個(gè)管系在ASME B31.3規(guī)則下，一次和二次應(yīng)力均通過。

圖4 一次應(yīng)力和二次應(yīng)力校核結(jié)果

根據(jù)WRC-107，對(duì)設(shè)備管口進(jìn)行校核，如圖5所示，各方向的力和力矩都小于規(guī)范允許值，管口校核通過。

圖5 設(shè)備管口應(yīng)力校核結(jié)果

2.5.2 管系的保冷設(shè)計(jì)

深冷管道進(jìn)行保冷的目的是減少低溫介質(zhì)在管道內(nèi)輸送時(shí)的冷量損失，防止管道表面結(jié)露以及避免操作人員凍傷。管道的保冷結(jié)構(gòu)從里至外，依次為保冷層、防潮層和保護(hù)層。其中保冷層對(duì)保證管道內(nèi)介質(zhì)的溫度起主要作用，需要從密度、導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和屬于溫度幾個(gè)方面入手，進(jìn)行選擇。

如表1所示，聚氨酯泡沫塑料由于不能適用于-196 ℃而被放棄。泡沫玻璃在密度和強(qiáng)度上有明顯優(yōu)勢(shì)，但是成本較高，聚異氰化脲酸酯則正好相反。對(duì)于PBU管系，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，在荷載不大的普通管段上，使用聚異氰化脲酸酯進(jìn)行大規(guī)模保冷；在部分荷載較大的區(qū)域，使用泡沫玻璃進(jìn)行保冷。

表1 幾種常用保冷層材料的性能參數(shù)表

2.5.3 保冷管托的選型

為了防止管道與管道支架直接接觸，產(chǎn)生“冷橋”效應(yīng)，造成冷量損失，需要對(duì)管道支架點(diǎn)進(jìn)行保冷處理。而支架點(diǎn)位的荷載遠(yuǎn)超管道其他位置，普通的管道保冷結(jié)構(gòu)不能滿足需要，因此需要設(shè)置專門的保冷管托。普通型保冷管托示意圖如圖6所示。

圖6 普通型保冷管托示意圖

普通型保冷管托在各方向上的可承受荷載是有極限的，與管托的長(zhǎng)度和管道的公稱直徑有關(guān)，選用的管托越長(zhǎng)，或者管道的公稱直徑越大，可承受荷載也越大。當(dāng)支架點(diǎn)的荷載超過當(dāng)前普通保冷管托的許用值時(shí)，根據(jù)超出管托許用值程度的不同，有三種解決方案：

當(dāng)支架點(diǎn)荷載超過管托許用值一倍以內(nèi)時(shí)，使用加強(qiáng)型管托；

當(dāng)支架點(diǎn)荷載超過普通管托許用值2倍以內(nèi)，且不便增設(shè)支架點(diǎn)的情況，可以酌情使用由泡沫玻璃作為保冷層材料的成品管托；

當(dāng)支架點(diǎn)荷載超過泡沫玻璃管托許用值時(shí)候，需要通過在支架點(diǎn)上下游增加支撐點(diǎn)，減小管道一次應(yīng)力的方式，減小該點(diǎn)荷載直到降至加強(qiáng)型管托許用范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

文章以深冷管道的設(shè)計(jì)為切入口，從管道材料的選擇、應(yīng)力分析和管道保冷設(shè)計(jì)等多個(gè)角度分析了PBU系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中會(huì)遇到的各個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。在兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化設(shè)計(jì)。